骨骼通常具有复杂而精细的形状，因此很难为遭受损伤、疾病或先天缺陷的患者找到匹配的天然替代品。现在，研究人员已经培育出与所需骨骼形状完全一致的骨移植物，这项进展可能有助于为医生提供面部、颅骨和其他骨骼重建所需的材料。
哥伦比亚大学的生物工程师戈尔达娜·武尼亚克-诺瓦科维奇解释说，虽然缺失的骨骼可以用钛金属替代，“但对于丢失的组织来说，没有比活组织更好的替代品了”。“虽然钛金属比没有强——你需要一些东西来帮助承受负荷——但真正的骨骼内部也有骨髓，骨髓具有许多重要的代谢功能。”
患者也可以依靠捐赠的骨骼，但这存在污染和组织排斥的风险。或者，外科医生可以从患者身体的其他部位获取骨骼，并将其雕刻成所需的形状来使用，“但这对患者来说非常痛苦，”武尼亚克-诺瓦科维奇说。“获取部位的损伤很大，组织再生需要很长时间，而且患者通常报告说，获取部位的疼痛感比植入物本身更强烈、持续时间更长。”
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相反，生物工程师沃伦·格雷森与武尼亚克-诺瓦科维奇及其同事一起培育了自己的移植物。他们从颞下颌关节开始，该关节位于耳朵前方下巴与颅骨相交的地方。“根据我们咨询的外科医生的说法，这是我们能想到的最大挑战，也是颅骨中最复杂的部位，就形状而言，”她说。“如果我们能培育出这个部位，我们认为我们就能培育出任何部位。”
武尼亚克-诺瓦科维奇补充说，颞下颌关节（TMJ）也越来越具有临床相关性。大约四分之一的人口经历过与颞下颌关节有关的疾病症状，例如咀嚼肌肉疼痛和颌骨僵硬，以及关节中疼痛的咔哒声、爆裂声或摩擦声。
研究人员首先使用真正的骨骼作为支架——“我们知道真正的骨骼是理想的，因为它们在现实生活中有效，”武尼亚克-诺瓦科维奇说。他们用洗涤剂和酶去除了小牛膝关节的所有细胞，然后根据一位匿名患者的数字化X射线图像，用机器将它们雕刻成厘米立方大小的人类颌关节。
接下来，他们在每个支架上播种了三百万个市售的人类间充质干细胞，这些干细胞可以分化为骨骼、软骨、脂肪和其他组织。细胞排列在支架的孔隙中，并在生物反应器中定期用营养物质、生长因子和氧气流进行喂养。这种灌注的模式和速率指导着骨骼结构的生长，就像体内血液的作用一样，并且这种流动为细胞提供的物理刺激对于适当的生长至关重要。
武尼亚克-诺瓦科维奇说：“如果你使用没有这种灌注的传统组织培养技术，你最终会得到类似 M&M 豆的东西——[一个关节]表面健康，但内部是死的。”
经过五周的培养，细胞数量增加了多达75倍，研究人员观察到功能性骨组织形成。“这是一项杰出的工作——他们能够实现他们需要的精确形状，这令人印象深刻，”波士顿布莱根妇女医院组织工程和再生医学实验室主任查尔斯·瓦坎蒂说，他没有参与这项研究。
其他研究团队曾尝试开发这种关节的替代品，但只能开发出简单或不精确的形状，或者在小鼠体内培养骨组织，这种概念对于研究目的来说效果很好，但不适用于人类应用，因为来自小鼠身体的细胞和分子可能会污染植入物，并且只能生长非常小的骨骼。
武尼亚克-诺瓦科维奇说：“这是第一块解剖学形状的、完全可存活的人骨。”“重要的是它必须完全可存活——否则，不仅细胞可能在移植物中心死亡，而且它们还会向剩余的健康细胞释放不良信号，引发‘凋亡级联反应’，本质上是在说，‘条件太糟糕了，我们自杀吧。’”
研究人员展望未来，希望使用从患者身上提取的干细胞来培育新骨骼。“一种潜在的来源是骨髓，我们在本研究中使用了骨髓，但也可以使用抽脂术——你可以从身体中取出脂肪，去除脂肪细胞，然后你就剩下很好的未成熟间充质干细胞，而且数量比骨髓中的多得多，”武尼亚克-诺瓦科维奇解释道。此外，他们现在正在使用合成矿化蛋白，而不是依赖真正的骨骼作为支架，他们可以更好地塑造和控制合成矿化蛋白。
瓦坎蒂指出，一个主要的担忧是确保骨细胞在移植物植入后能够存活。武尼亚克-诺瓦科维奇说，研究人员目前正在确定如何在骨移植物中最好地生长血管，以保持它们的活力。
塔夫茨大学生物医学工程系的生物工程师大卫·卡普兰没有参与这些发现，他称这项工作“非常出色”，并补充说，未来的研究可能希望生物反应器能够模拟这种骨骼在植入后将承受的相同范围的机械力——例如，对于颌关节，“你希望它体验到压缩和扭转。”
格雷森、武尼亚克-诺瓦科维奇及其同事于10月5日在《美国国家科学院院刊》在线报告了他们的发现。